解锁量子精度:扩展超导带，增强光子计数精度
发布时间：2024-02-10 04:00:05 阅读数： 24
超导微带光子数分辨探测器。来源:Kong (SIMIT)。
使用单光子作为量子比特已经成为量子信息技术的重要策略。准确地确定光子的数量在各种量子系统中是至关重要的，包括量子计算、量子通信和量子计量。光子数分辨探测器(pnrd)在实现这种精度方面起着至关重要的作用，它有两个主要的性能指标:分辨保真度，测量准确记录入射光子数的概率，以及动态范围，描述最大可分辨光子数。超导纳米带单光子探测器(SNSPDs)被认为是单光子探测的前沿技术。它们提供近乎完美的效率和高速性能。然而，关于光子数分辨率，基于snspd的pnrd一直在努力寻找保真度和动态范围之间的平衡。现有的阵列式snspd将入射光子划分在有限数量的像素中，面临保真度的限制。这些探测器因此被称为准pnrd。snspd的工作原理是当光子被吸收时，打破狭窄的、冷却的、电流偏置的条带的局部超导性。这就产生了一个称为热点的局部电阻区，由此产生的电流通过负载电阻转移，产生可检测的电压脉冲。因此，具有足够长的超导带的SNSPD可以看作是由数千个元素组成的级联，并且n个光子同时激活不同的元素应该产生n个不重叠的热点。然而，传统的snspd结合改进的低温读数只能解析3-4个光子数，导致低动态范围。
SMSPD的光子数分辨率:(a)有效平均光子数为2.5和5.1的脉冲激光照射下响应脉冲上升沿时间的直方图(点)和高斯拟合(线)。颜色区域表示分解的高斯函数。(b)混淆矩阵，表示将n个检测光子分配给m个报告光子的概率，其中对角线项表示光子数读出保真度。(c)在0.05 ~ 5有效平均光子数范围内，由脉冲上升沿时间分布重建的光子计数统计。测量的光子计数统计(色条)与相干源的泊松统计(虚线)密切一致。来源:孔、张等，doi: 10.1117/1.AP.6.1.016004，
据《先进光子学》报道，中国科学院上海微系统与信息技术研究所(SIMIT)的研究人员在提高snspd的光子数分辨能力方面取得了进展。
通过增加条带宽度或总电感，他们能够克服读出电子器件中的带宽限制和时序抖动。这使得响应脉冲的上升沿被拉长，信噪比得到改善，从而提高了读出的保真度。
通过将超导带扩大到微米尺度，研究人员首次使用超导微带单光子探测器(SMSPD)观察到真光子数分辨率高达10。令人惊讶的是，即使没有使用低温放大器，他们也取得了这些结果。对于4光子事件，读出保真度达到了令人印象深刻的98%，对于6光子事件达到了90%。
此外，研究人员提出了一种双通道定时设置，以实现实时光子数读出。这种方法将数据采集需求显著降低了三个数量级，并简化了读出设置。他们还展示了他们的系统在量子信息技术中的实用性，通过创建一个基于相干态奇偶校验采样的量子随机数生成器。
该技术确保了无偏性，对实验缺陷和环境噪声的鲁棒性，以及对窃听的抵抗。本研究是pnrd研究领域的重大进展。随着smspd检测效率的进一步提高，该技术可以很容易地用于各种光量子信息应用。这些结果突出了snspd或smspd在实现高保真度和大动态范围光子数分辨率方面的潜力。
